(57)【要約】【課題】鉄シリサイド層を活性層として具え、十分に高い光−電気変換効率を有する実用的なダブルへテロ構造の半導体素子を提供する。【解決手段】所定の基板上に鉄シリサイド層を形成し、前記鉄シリサイド層上にシリコンゲルマニウム又は平均粒径５０ｎｍ以下の結晶粒のシリコンからなるキャップ層を形成して半導体素子を構成する。【選択図】図１
2006237129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の基板と、
前記基板上に形成された鉄シリサイド層と、
前記鉄シリサイド層上に形成された、シリコンゲルマニウムからなるキャップ層と、
を具えることを特徴とする、半導体素子。
【請求項２】
前記キャップ層中の、前記鉄シリサイド層との界面におけるゲルマニウム濃度が、５０原子％〜９０原子％であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記キャップ層の厚さ方向において、ゲルマニウム濃度が前記鉄シリサイド層との前記界面に向けて増大し、前記キャップ層を構成するシリコン及びゲルマニウムが、前記厚さ方向において組成傾斜していることを特徴とする、請求項２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記基板と前記鉄シリサイド層との間に、シリコンゲルマニウムからなるバッファ層を具えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の半導体素子。
【請求項５】
前記バッファ層中の、前記鉄シリサイド層との界面におけるゲルマニウム濃度が、５０原子％〜９０原子％であることを特徴とする、請求項４に記載の半導体素子。
【請求項６】
前記バッファ層の厚さ方向において、ゲルマニウム濃度が前記鉄シリサイド層との前記界面に向けて増大し、前記バッファ層を構成するシリコン及びゲルマニウムが、前記厚さ方向において組成傾斜していることを特徴とする、請求項５に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記鉄シリサイド層は、β−ＦｅＳｉ２を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の半導体素子。
【請求項８】
所定の基板と、
前記基板上に形成された鉄シリサイド層と、
前記鉄シリサイド層上に形成された、シリコンゲルマニウムからなる第１のバッファ層と、
前記第１のバッファ層上に形成されたシリコンからなるキャップ層と、
を具えることを特徴とする、半導体素子。
【請求項９】
前記第１のバッファ層中の、前記鉄シリサイド層との界面におけるゲルマニウム濃度が、５０原子％〜９０原子％であることを特徴とする、請求項８に記載の半導体素子。
【請求項１０】
前記第１のバッファ層の厚さ方向において、ゲルマニウム濃度が前記鉄シリサイド層との前記界面に向けて増大し、前記第１のバッファ層を構成するシリコン及びゲルマニウムが、前記厚さ方向において組成傾斜していることを特徴とする、請求項９に記載の半導体素子。
【請求項１１】
前記基板と前記鉄シリサイド層との間に、シリコンゲルマニウムからなる第２のバッファ層を具えることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一に記載の半導体素子。
【請求項１２】
前記第２のバッファ層中の、前記鉄シリサイド層との界面におけるゲルマニウム濃度が、５０原子％〜９０原子％であることを特徴とする、請求項１１に記載の半導体素子。
【請求項１３】
前記第２のバッファ層の厚さ方向において、ゲルマニウム濃度が前記鉄シリサイド層との前記界面に向けて増大し、前記第２のバッファ層を構成するシリコン及びゲルマニウムが、前記厚さ方向において組成傾斜していることを特徴とする、請求項１２に記載の半導体素子。
【請求項１４】
前記鉄シリサイド層は、β−ＦｅＳｉ２を含むことを特徴とする、請求項８〜１３のいずれか一に記載の半導体素子。
【請求項１５】
所定の基板と、
前記基板上に形成された鉄シリサイド層と、
前記鉄シリサイド層上に形成された、平均粒径が５０ｎｍ以下の微細な結晶粒からなるシリコンから構成されるキャップ層と、
を具えることを特徴とする、半導体素子。
【請求項１６】
前記基板と前記鉄シリサイド層との間に、シリコンゲルマニウムからなるバッファ層を具えることを特徴とする、請求項１５に記載の半導体素子。
【請求項１７】
前記バッファ層中の、前記鉄シリサイド層との界面におけるゲルマニウム濃度が、５０原子％〜９０原子％であることを特徴とする、請求項１２に記載の半導体素子。
【請求項１８】
前記バッファ層の厚さ方向において、ゲルマニウム濃度が前記鉄シリサイド層との前記界面に向けて増大し、前記バッファ層を構成するシリコン及びゲルマニウムが、前記厚さ方向において組成傾斜していることを特徴とする、請求項１７に記載の半導体素子。
【請求項１９】
前記鉄シリサイド層は、β−ＦｅＳｉ２を含むことを特徴とする、請求項１５〜１８のいずれか一に記載の半導体素子。
【請求項２０】
前記キャップ層はプラズマＣＶＤ法によって形成することを特徴とする、請求項１５〜１９のいずれか一に記載の半導体素子。
【請求項２１】
前記プラズマＣＶＤ法はＥＣＲプラズマＣＶＤ法であることを特徴とする、請求項２０に記載の半導体素子。
【請求項２２】
前記プラズマＣＶＤ法は前記基板及び前記鉄シリサイド層からなる積層体にバイアス電圧を印加しない状態で実施することを特徴とする、請求項２０又は２１に記載の半導体素子。
【請求項２３】
前記半導体素子は、光半導体素子であることを特徴とする、請求項１〜２２のいずれか一に記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄シリサイド層を活性層として含む半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄シリサイド、特にβ−ＦｅＳｉ２は正方晶構造の金属であるα−Ｆｅ２Ｓｉ２の鉄シリサイドと異なり、斜方晶構造を持ち、禁制帯幅が約０．８５ｅＶの半導体である。β−ＦｅＳｉ２は、吸収係数が結晶質シリコンより非常に大きく（波長１．１μｍで吸収係数１０５ｃｍ−１）、光電変換の効率が高いことから、Ｓｉ基板上に薄膜形成することで高効率な太陽電池等の赤外受光材料となることが期待されている。また、β−ＦｅＳｉ２は、ＧａＡｓ等の化合物半導体と異なり、環境的に扱いが難しいＡｓ等を用いないで済むため、環境負荷の小さな半導体材料としても注目されている（例えば、特許文献１〜３など）。
【０００３】
したがって、上述したβ−ＦｅＳｉ２などの鉄シリサイドの特性に基づき、近年においては、前記鉄シリサイドを活性層として用いた光半導体素子などの研究開発が盛んに行われている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３１８４９３号公報
【特許文献２】特開２００３−２４３４２６号公報
【特許文献３】特開２００３−１８３８１２号公報
【０００５】
しかしながら、前記鉄シリサイドを活性層として含む発光素子においては、電流注入した際に鉄シリサイド周囲のシリコン部分でのキャリアの再結合を防ぐことは困難であり、電流注入量に対する効率的な発光強度の増加を実現することが困難である。また、鉄シリサイド層表面において電気伝導キャリアあるいはフォトンキャリアの非幅射再結合がおこり、光−電気の直接変換効率を低下させてしまう。
【０００６】
このような問題に鑑み、前記鉄シリサイド層上にキャップ層としてのシリコン層を設け、いわゆるダブルへテロ構造を実現することが試みられている。このダブルへテロ構造によれば、前記キャップ層を設けたことに起因して、鉄シリサイド層表面でのフォトンキャリアの非輻射再結合を抑制することができ、フォトンキャリアの閉じ込め効果を増大させることができるので、光−電気の変換効率を増大でき、その結果十分な発光強度を実現することが期待される。
【０００７】
しかしながら、このようなダブルへテロ構造においても、鉄シリサイド層とキャップ層（シリコン層）との格子不整合に起因した、前記キャップ層（シリコン層）の内部歪みによって転位等の結晶欠陥が形成され、これら欠陥による注入キャリアおよびフォトンキャリアの消滅が光−電気の直接変換効率を低下させてしまう要因となっていた。この結果、鉄シリサイド層を活性層として含む、実用的なダブルへテロ構造の実現は未だ達成することができないでいた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、鉄シリサイド層を活性層として具え、十分に高い光−電気変換効率を有する実用的なダブルへテロ構造の半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成すべく、本発明は、
所定の基板と、
前記基板上に形成された鉄シリサイド層と、
前記鉄シリサイド層上に形成された、シリコンゲルマニウムからなるキャップ層と、
を具えることを特徴とする、半導体素子（第１の半導体素子）に関する。
【００１０】
また、本発明は、
所定の基板と、
前記基板上に形成された鉄シリサイド層と、
前記鉄シリサイド層上に形成された、シリコンゲルマニウムからなる第１のバッファ層と、
前記第１のバッファ層上に形成されたシリコンからなるキャップ層と、
を具えることを特徴とする、半導体素子（第２の半導体素子）に関する。
【００１１】
さらに、本発明は、
所定の基板と、
前記基板上に形成された鉄シリサイド層と、
前記鉄シリサイド層上に形成された、平均粒径が５０ｎｍ以下の微細な結晶粒からなるシリコンから構成されるキャップ層と、
を具えることを特徴とする、半導体素子（第３の半導体素子）に関する。
【００１２】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、従来の、鉄シリサイド層を活性層として含むダブルへテロ構造において、そのキャップ層をシリコンからではなく、シリコンゲルマニウムから構成することにより、前記鉄シリサイド層と前記キャップ層との格子不整合率を低減することができ、前記キャップ層への転位の導入を極力低減できることを見出した（第１の半導体素子）。
【００１３】
また、前記キャップ層を従来のようにシリコンから構成した場合においても、前記鉄シリサイド層及び前記キャップ層間に、シリコンゲルマニウムからなるバッファ層（第１のバッファ層）を導入することにより、同じく前記鉄シリサイド層と前記キャップ層との格子不整合率を低減することができ、前記キャップ層への転位の導入を極力低減できることを見出した（第２の半導体素子）。
【００１４】
さらに、前記キャップ層を従来のようにシリコンから構成した場合においても、その結晶粒の平均粒径を５０ｎｍ以下とすることにより、同じく前記鉄シリサイド層と前記キャップ層との格子不整合率を低減することができ、前記キャップ層への転位の導入を極力低減できることを見出した（第３の半導体素子）。
【００１５】
第３の半導体素子においては、キャップ層を従来同様にシリコンから構成しているが、その結晶粒の平均粒径を５０ｎｍ以下にしているので、格子不整合率が１．４％〜５．５％と大きいにも拘わらず、各結晶粒の前記鉄シリサイド層との接合面積を小さく保持することができるので、実質的な格子不整合率を低減することができ、前記キャップ層中への転位の導入を抑制することができる。
【００１６】
上述したシリコンゲルマニウムからなるキャップ層はシリコンからなるキャップ層同様に、前記鉄シリサイド層表面でのフォトンキャリアの非輻射再結合を抑制することができ、フォトンキャリアの閉じ込め効果を増大させることができるので、光−電気の変換効率を増大でき、その結果十分な発光強度を実現することができる（第１の半導体素子）。
【００１７】
さらに、第２の半導体素子及び第３の半導体素子においては、従来同様に、キャップ層はシリコンから構成されているので、従来同様の高い光−電気の変換効率を得ることができ、十分な発光強度を実現することができる。
【００１８】
なお、上述した第１の半導体素子及び第２の半導体素子においては、前記キャップ層中の、又は前記バッファ層中の、前記鉄シリサイド層との界面におけるゲルマニウム濃度が、５０原子％〜９０原子％であることが好ましい。これによって、前記キャップ層又は前記バッファ層と前記鉄シリサイド層との格子不整合率をより低減することができる。具体的には、前記格子不整合率を０％〜２％まで低減することができる。
【００１９】
前記キャップ層及び前記バッファ層の、前記鉄シリサイド層界面における５０原子％〜９０原子％という濃度は、これら層の厚さ方向の全体に亘って設定することもできるし、前記層の厚さ方向に組成傾斜を持たせ、ゲルマニウム（シリコン）の濃度が前記鉄シリサイドとの界面に向けて増大（減少）するようにすることもできる。この場合、前記キャップ層中の相対的シリコン濃度を増大させることができるので、前記キャップをシリコンから構成した場合と同様の作用効果を得ることができる。また、前記バッファ層のキャップ層側でのシリコン濃度を増大させることができるので、前記バッファ層とシリコンから構成される前記キャップ層との格子不整合率を低減することができ、前記キャップ層中への転位導入をより低減することができる。
【００２０】
また、本発明の一態様においては、前記基板と前記鉄シリサイド層との間にも、シリコンゲルマニウムからなるバッファ層（第２のバッファ層）を設けることができる。これによって、前記基板と前記鉄シリサイド層との格子不整合率を低減することができ、前記鉄シリサイド層中への転位の導入を抑制することができる。
【００２１】
なお、この場合においても、前記バッファ層中の、前記鉄シリサイド層との界面におけるゲルマニウム濃度が、５０原子％〜９０原子％であることが好ましい。これによって、前記バッファ層と前記鉄シリサイド層との格子不整合率をより低減することができる。さらに、その厚さ方向において組成傾斜を持たせ、ゲルマニウム（シリコン）の濃度が前記鉄シリサイドとの界面に向けて増大（減少）するようにすることもできる。この場合、特に基板がシリコンから構成される場合において、前記基板と前記バッファ層との格子不整合率を低減することができ、前記バッファ層のバッファ効果をより増大させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば、鉄シリサイド層を活性層として具え、十分に高い光−電気変換効率を有する実用的なダブルへテロ構造の半導体素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の詳細、その他の特徴及び利点について、発明を実施するための最良の形態に基づいて説明する。
【００２４】
図１は、本発明の半導体素子からなる光半導体素子の好ましい態様の一例を示す構成図である。
【００２５】
図１に示す光半導体素子１０は、所定の基板１１上において、順次に形成されたバッファ層１２、鉄シリサイド活性層１３、及びキャップ層１４を含んでいる。また、基板１１の裏面側には電極１５が形成され、キャップ層１４上には電極１６が形成されている。
【００２６】
キャップ層１４は、本発明に従って、シリコンゲルマニウム層又は平均粒径５０ｎｍ以下の結晶粒からなるシリコン層から構成されることが必要である。これによって、鉄シリサイド層１３とキャップ層１４との格子不整合率を低減することができ、キャップ層１４への転位の導入を極力低減できる。
【００２７】
なお、キャップ層１４を構成するシリコンの結晶粒の大きさの下限値については特に限定されるものではないが、現状においてはその製造方法に依存して１０ｎｍ程度である。
【００２８】
また、バッファ層１２も、本発明に従って、シリコンゲルマニウム層から構成されることが必要である。これによって、基板１１と鉄シリサイド層１３との格子不整合率を低減することができ、鉄シリサイド層１３中への転位の導入を抑制することができる。
【００２９】
キャップ層１４がシリコンゲルマニウム層から構成される場合、鉄シリサイド層１３との界面１４Ａにおけるゲルマニウム濃度が、５０原子％〜９０原子％であることが好ましい。これによって、キャップ層１４と鉄シリサイド層１３との格子不整合率をより低減することができ、具体的には、前記格子不整合率を０％〜２％まで低減することができる。
【００３０】
なお、界面１４Ａにおいて上述したゲルマニウム濃度を実現するに対し、層の厚さ方向の全体に亘って前記濃度を設定することができるが、好ましくは、層の厚さ方向に組成傾斜を持たせ、ゲルマニウム（シリコン）の濃度が鉄シリサイド層１３との界面１４Ａに向けて増大（減少）するようにすることもできる。この場合、キャップ層１４中の相対的シリコン濃度を増大させることができるので、キャップ層１４をシリコンから構成した場合と同様の作用効果を得ることができる。
【００３１】
また、図１に示す光半導体素子１０は、上述したようなバッファ層１２を含んでいるので、これによって、基板１１と鉄シリサイド層１３との格子不整合率を低減することができ、鉄シリサイド層１３中への転位の導入を抑制することができる。
【００３２】
なお、この場合においても、バッファ層１１中の、鉄シリサイド層１３との界面におけるゲルマニウム濃度が、５０原子％〜９０原子％であることが好ましい。これによって、バッファ層１１と鉄シリサイド層１３との格子不整合率をより低減することができる。さらに、その厚さ方向において組成傾斜を持たせ、ゲルマニウム（シリコン）の濃度が鉄シリサイド１３との界面に向けて増大（減少）するようにすることもできる。この場合、特に基板がシリコンから構成される場合において、基板１１とバッファ層１３との格子不整合率を低減することができ、バッファ層１２のバッファ効果をより増大させることができる。
【００３３】
鉄シリサイド層１３は、例えば良好な半導体的性質を呈するβ−ＦｅＳｉ２層から構成することができる。また、鉄シリサイド層１３は、必要に応じて、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂなどのｎ型不純物を含むこともできるし、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｃｕなどのｐ型不純物を含むこともできる。さらに、鉄シリサイド層１３は、これらｎ型の鉄シリサイド層とｐ型の鉄シリサイド層とが積層した積層構造とすることもできる。
【００３４】
基板１１は、代表的には（１００）シリコン結晶や（１１１）シリコン結晶を用いることができるが、その他の、ＳＴＯ（チタン酸ストロンチウム基板）、ＭｇＯ（マグネシア基板）、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア基板）、Ａｌ２Ｏ３（サファイア基板）などを用いることもできる。なお、前記シリコン結晶は、例えばＣＺ法やＦＺ法などによって形成することができる。
【００３５】
バッファ層１２及び鉄シリサイド層１３は、公知の方法、例えばＭＯＣＶＤ法や蒸着法、スパッタリング法、及びパルスレーザアブレーション法などを用いて形成することができる。キャップ層１４についても、キャップ層１４がシリコンゲルマニウムから構成される場合は、上記同様の方法で形成することができる。
【００３６】
一方、キャップ層１４がシリコンから構成される場合、キャップ層１４は好ましくはプラズマＣＶＤ法、さらに好ましくはＥＣＲプラズマＣＶＤ法を用いて形成する。これによって、結晶粒の平均粒径が５０ｎｍ以下のシリコンからなるキャップ層１４を簡易に形成することができる。この場合、必要に応じて基板１１を適宜加熱することができるが、基板１１（加えてバッファ層１２及び鉄シリサイド層１３）に対しては何らバイアス電圧を印加しないことが好ましい。バイアス電圧を加えると、キャップ層１４中の配向性、したがって結晶化が不十分となり、キャップ層としての機能を十分に発現しない場合がある。
【００３７】
なお、電極１５は例えばＡｌから構成することができ、電極１６は例えばＡｕＧｅから構成することができる。
【００３８】
図１に示す光半導体素子１０においては、電極１５及び１６間に電圧を印加し、これに伴う電流を鉄シリサイド層１３内に注入することによって電流励起し、所定の発光を生ぜしめて半導体発光素子として使用することができる。また、所定の光を入射させるともに、鉄シリサイド層１３内に導入し、光励起によって所定の電圧（電流）を生ぜしめ、電極１５及び１６を介して外部に取り出すようによって、半導体受光素子として使用することができる。
【００３９】
なお、図１に示す光半導体素子１０においては、発光及び受光をキャップ層１４側から行っているが、基板１１側から行うこともできる。
【００４０】
各層の厚さは、使用する材料組成や得られた半導体素子の用途などに依存するが、例えばバッファ層１２は１０ｎｍ〜２０００ｎｍとすることができ、鉄シリサイド層１３は１０ｎｍ〜２００ｎｍとすることができ、キャップ層１４は１０ｎｍ〜５００ｎｍとすることができる。
【００４１】
図２は、本発明の半導体素子からなる光半導体素子の好ましい態様の他の例を示す構成図である。なお、図２に示す半導体素子において、図１に示す半導体素子と同様の構成要素については同じ参照符号を用いている。
【００４２】
図２に示す光半導体素子２０は、所定の基板１１上において、順次に形成された第２のバッファ層１２、鉄シリサイド活性層１３、第１のバッファ層１７及びキャップ層１４を含んでいる。また、基板１１の裏面側には電極１５が形成され、キャップ層１４上には電極１６が形成されている。
【００４３】
第１のバッファ層１７、本発明に従ってシリコンゲルマニウムからなることが必要であり、キャップ層１４は従来どおりシリコンからなることが必要である。これによって、鉄シリサイド層１３とキャップ層１４との格子不整合率を低減することができ、キャップ層１４への転位の導入を極力低減できることができる。
【００４４】
なお、第１のバッファ層１７の、鉄シリサイド層１３との界面１７Ａにおけるゲルマニウム濃度が、５０原子％〜９０原子％であることが好ましい。これによって、キャップ層１４と鉄シリサイド層１３との格子不整合率をより低減することができ、具体的には、前記格子不整合率を０％〜２％まで低減することができる。
【００４５】
また、界面１７Ａにおいて上述したゲルマニウム濃度を実現するに対し、層の厚さ方向の全体に亘って前記濃度を設定することができるが、好ましくは、層の厚さ方向に組成傾斜を持たせ、ゲルマニウム（シリコン）の濃度が鉄シリサイド層１３との界面１７Ａに向けて増大（減少）するようにすることもできる。この場合、第１のバッファ層１７とシリコンから構成されるキャップ層１４との格子不整合率を低減することができ、キャップ層１４中への転位導入をより低減することができる。
【００４６】
なお、本例における第２のバッファ層１２は図１に示すバッファ層１２と同様であり、それ以外の基板１１及び鉄シリサイド層１３についても図１に示すものと同じである。したがって、本例の基板１１及び鉄シリサイド層１３においても、図１に示すものと同様のものを用いることができ、同様の作製方法及び作製条件で形成することができる。なお、第１のバッファ層１７の厚さは例えば２０ｎｍ〜２０００ｎｍとする。
【００４７】
また、本例に示す光半導体素子も、図１に示すものと同様に、半導体発光素子及び半導体受光素子として使用することができる。
【００４８】
以上、本発明を具体例を挙げながら詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の半導体素子からなる光半導体素子の好ましい態様の一例を示す構成図である。
【図２】本発明の半導体素子からなる光半導体素子の好ましい態様の他の例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０，２０  光半導体素子
１１  基板
１２  （第１の）バッファ層
１３  鉄シリサイド層
１４  キャップ層
１５、１６  電極
【図１】
2006237129.tif 000003
【図２】
2006237129.tif 000004